DE1094400B

DE1094400B - Ionen-Getter-Pumpe

Info

Publication number: DE1094400B
Application number: DEA28089A
Authority: DE
Inventors: Dr H C Manfred Von Ardenne
Original assignee: Vakutronik VEB
Current assignee: Vakutronik VEB
Priority date: 1957-10-12
Filing date: 1957-10-12
Publication date: 1960-12-08
Also published as: CH356554A; NL223799A; US2948459A; GB873906A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Ionen-Getter-Pumpe mit einer durch Joulesche Wärme erhitzten Elektrode aus hochschmelzendem Metall, insbesondere Wolfram oder Tantal, und mit kontinuierlicher oder intermittierender Zuführung des Gettermetalls in Pulver-, Draht- oder Stückform. Ionen-Getter-Pumpen haben bisher nur eine geringe Verbreitung erlangt. Der Grund hierfür mag in den folgenden Nachteilen liegen, die den bisher bekanntgewordenen Ausführungsformen noch anhaften:

Zur Verdampfung des getternden Metalls werden Verdampfer benutzt, die in der Regel durch Elektronenstoß auf die erforderliche hohe Temperatur aufgeheizt werden. Hieraus ergibt sich, daß die Pumpen erst dann in Gang zu setzen sind bzw. stabil arbeiten, wenn der anfängliche Restgasdruck auf 10~⁴ Torr oder weniger reduziert ist.

Bei einer anderen Ausführungsform erfolgt die Aufheizung des Verdampfers durch eine Gasentladung, die nach Einsetzen der Verdampfung in eine Dampfentladung mit dem Dampf des Gettermetalls übergeht. Diese Ausführungsform hat den Nachteil, daß ohne zeitliche Unterbrechung die Gettermetallverdampfung vorgenommen werden muß, damit die Entladung nicht abreißt. Hieraus resultiert ein Verbrauch an Gettermetall, der um eine bis zwei Größenordnungen höher ist, als zur Erzeugung der reinen Getter-Pumpwirkung benötigt wird.

Bei den beiden zuvor erwähnten Ausführungsformen, wie überhaupt auch bei allen übrigen aus der Literatur bekanntgewordenen Ausführungsformen, sind sowohl die Systeme als auch ihr Betrieb kompliziert.

Im folgenden wird eine Ionen-Getter-Pumpe beschrieben, welche die zuvor erwähnten Nachteile weitgehend vermeidet. Erst in der erfindungsgemäßen Bauweise wird die Ionen-Getter-Pumpe in eine solche Form gebracht, daß die Voraussetzungen für eine allgemeine Einführung in der Vakuumtechnik erfüllt sein dürften.

Diese Nachteile der bekannten Ausführungsform werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß eine vorzugsweise zylindrisch und geschlitzt ausgebildete Elektrode mit einer Verdampferfläche zur Verdampfung des Gettermaterials vorgesehen ist, während die Elektrode ohne Verdampferfläche gleichzeitig die Kathode für die Ionen-Pumpwirkung darstellt.

An Hand der Zeichnung sei ein Ausführungsbeispiel einer Ionen-Getter-Pumpe gemäß der Erfindung dargestellt und näher erläutert. In der Wirkungsweise ist zu unterscheiden zwischen der Getter-Pumpwirkung und der Ionen-Pumpwirkung, welch letztere die Edelgaskomponente evakuiert.

Zunächst sei das vorgeschlagene System in bezug auf die Getter-Pumpwirkung beschrieben. Das Pumpensystem befindet sich in einem Metallgehäuse 1, Ionen-Getter-Pumpe

Anmelder:

VEB Vakutronik,

Dresden-A21, Dornblüthstr. 14

Dr. h. c. Manfred von Axdenne,

Dresden-Bad Weißer Hirsch,
ist als Erfinder genannt worden

welches ohne Zwischenschaltung von Kühlfallen am oberen Ende an den Rezipienten angeschlossen ist. Die konstruktive Ausführung ist so gewählt, daß nahezu das gesamte System von dem unteren Flansch 2 getragen wird, welcher das Pumpengehäuse nach unten abschließt. Rezipient und Pumpengehäuse werden auf einen Druck von beispielsweise 10~²Torr vorevakuiert.

Dieser Druck, der also um Größenordnungen größer ist als der Vorvakuumdruck, der sonst zum Start von Ionenpumpen erforderlich ist, kann beispielsweise durch rotierende mechanische Pumpen vom Typ der »Rootspumpe« herbeigeführt werden. Der Anschluß zur Vorvakuumpumpe ist mit 3 bezeichnet.

Die Verdampfung des getternden Metalls, z. B. von Titan, erfolgt in einem direkt durch Joulesche Wärme erhitzten Verdampfer 4. Die gezeichnete Ausführungsform des Verdampfers zeigt einen z. B. aus Wolfram- blech hergestellten Zylinder, der vom Heizstrom durchflossen wird und gleichzeitig als Kathode für die weiter unten besprochene Ionen-Pumpwirkung dient. Bei der beispielsweise gezeichneten Ausführungsform wird dieser Zylinder in einer Ebene parallel zu seiner Achse nahezu in seiner ganzen Länge geschlitzt. Der Leitungsquerschnitt des verbleibenden Steges und der den Zylinder 4 oben abschließenden Verdampferplatte 5 wird so abgestimmt, daß auch die Verdampferplatte auf hohe Temperatur gebracht wird, d. h. auf eine Temperatur, die etwa genauso hoch ist wie die Temperatur der zur Elektronenemission mitverwendeten Oberflächenbereiche der zylinderförmigen Elektrode 4. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß bei Anwendung eines axialen Magnetfeldes und bei Heizung mit Wechselstrom die elektrodynamischen Kräfte auf die Kathode 4 klein bleiben, so daß keine Verformungen oder vorzeitige Zerstörungen durch Vibration eintreten. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform des Verdampfers besteht darin, daß die

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als Kathode dienenden Oberflächenbereiche nicht unmittelbar vom Gettermetall berührt und in ihrer Emissionsfähigkeit herabgesetzt bzw. durch Legierungsbildung verändert werden, während andererseits die zur Metallverdampfung dienende Abschlußplatte 5 nicht oder kaum zur Elektronenemission herangezogen wird. Die zuvor beschriebene Gestaltung des Verdampfer-Kathoden-Systems hat den Vorteil, daß sehr bequem und insbesondere ohne die komplizierte Elektronenstoßmethode Temperaturen von 2000 bis 2500° C erzielt und über eine lange Lebensdauer aufrechterhalten werden können. Diese hohe Temperatur wäre zur Verdampfung von reinem Titanmetall nicht erfor-' der]ich, denn das letztere besitzt schon bei Temperaturen um 1600 bis 1700° C solche Sättigungsdruckwerte, welche zur Getterwirkung voll ausreichen würden. Praktisch sind jedoch die Titanoberflächen, besonders wenn Metall in Pulverform dem Verdampfer zugeführt wird, mit Oxydschichten umgeben, deren Miteinschmelzung und Verdampfung, wie praktische Versuche erkennen ließen, erst bei Temperaturen über 2000° C, insbesondere bei Temperaturen um 2500° C, gelingt. Gerade die zuletzt genannte Temperatur ist aber auch diejenige Temperatur, bei der hochschmelzende Metalle, wie Wolfram oder Tantal, eine gute Elektronenemissionsstromdichte (Größenordnung 1 Amp./cm²) aufweisen. Diese Übereinstimmung der Temperaturwerte für Verdampfung von Gettermetall und für Elektronenemission wird bei der erfindungsgemäßen Pumpe ausgenutzt, um eine besonders einfache und wirtschaftliche technische Gesamtlösung herbeizuführen.

Um die Evakuierung durch Getterung einzuleiten, wird bei der gezeichneten Anordnung nach Herstellung des Vorvakuums mit Hilfe von z. B. dem Wechselstromlichtnetz entnommenem Strom ein kleiner Elektromagnet 6 erregt, der eine vor seinen Polen befindliche Zunge 7 mit daran befestigtem Klöppel 8 in Schwingungen versetzt. Der Klöppel schlägt an einen federnd aufgehängten Trichter 9, der unten eine feine Öffnung von z. B. 0,3 mm Durchmesser aufweist. Der Trichter ist gefüllt mit einem Vorrat 10 von z. B. feinkörnigem Titanmetallpulver von einigermaßen einheitlichem Korndurchmesser. Je nach der Erregungsstärke des Elektromagneten fällt eine mehr oder weniger große Menge von Gettermetallpulver pro Zeiteinheit aus der Trichteröffnung nach unten. Der Kegelwinkel des Trichters und seine Öffnung sind so bemessen, daß ohne Klöppeltätigkeit kein Pulver aus dem Trichter herausfällt. Um den Winkel des fallenden Pulvers klein zu halten, ist unmittelbar unter der Trichteröffnung ein Formstück 11 mit engem Kanal angeordnet. Bei einer Fallhöhe von mehreren Zentimetern springt, wie Versuche gezeigt haben, das Metallpulver von dem Verdampfer 5 zum Teil, ohne zu verdampfen, wieder empor und zerstreut sich neben die Verdampferplatte. Um diesen Vorgang zu vermeiden, ist in den Fallraum eine Schikane 12 eingebaut. Diese Schikane hat ebenfalls Trichterform und im Innern des Trichters Hilfsbleche, welche das unmittelbare Durchfallen der Pulverkörner verhindern. Von der Schikane aus fallen die Pulverkörner nunmehr mit sehr geringer Fallhöhe auf die Verdampferplatte 5. Ist die letztere hoch geheizt, so erfolgt fast ohne Materialverluste eine momentane Verdampfung des gesamten in Pulverform zugeführten Metalls. Von dem Verdampfer aus schlägt sich das Gettermetall an der Innenwandung des Pumpengehäuses nieder, und zwar besonders in dem mittleren Teil des zylinderförmigen Pumpengehäuses. Zur Wiedergewinnung des Gettermetalls und zur Sauberhaltung des Pumpengehäuses kann es nützlich sein, in das Gehäuse ein Aufdampfblech 13 einzubauen, welches metallischen Kontakt mit dem Pumpengehäuse hat.

Im Gegensatz zu Diffusionspumpen beginnt die vorgeschlagene Pumpe sofort nach Einschaltung ihre Tätigkeit. Kurze Zeit nach ihrem Einschalten ist das Ventil zur Vorvakuumpumpe zu schließen. Damit möglichst schnell der Druck vom Vorvakuumwert auf

ίο einen Hochvakuumwert absinkt, empfiehlt es sich, während der Startperiode eine fortlaufende Getterung vorzunehmen, d. h. fortlaufend dem Verdampfer Gettermetall zuzuführen. Auf diese Weise wird die größere Gasmenge am Anfang sowohl durch die Verdampfungsgetterung im Volumen als auch durch die Kontaktgetterung an der niedergeschlagenen Metallschicht aufgezehrt. Für die weitere Evakuierung des Rezipienten genügt dann die Kontaktgetterung allein. Nach der Startperiode soll daher dem Verdampfer nur

ao noch in längeren Abständen oder in stark reduzierter Menge Gettermetall zugeführt werden. Dies wird entweder dadurch vorgenommen, daß beispielsweise mit einer Schaltuhr in Zeitabständen von größenordnungsmäßig einer Stunde das Klöppelsystem erregt wird, oder dadurch, daß eine außerordentlich schwache Erregung des Klöppelsystems eingestellt wird.

Selbstverständlich braucht das Metall nicht in der besonders billig zu Verfügung stehenden Pulverform dem Verdampfer zugeführt werden, sondern kann auch in bekannter Weise in Form von Draht oder Stückgut über einen geeigneten Mechanismus an den Verdampfer herangeführt werden.

Nunmehr soll das vorgeschlagene System in bezug auf die Ionen-Pumpwirkung beschrieben werden. Die Ionen-Pumpwirkung ergibt sich bekanntlich dann, wenn das Restgas durch einen kräftigen Elektronenstrom (Voltgeschwindigkeit einige hundert Volt) unter Herbeiführung möglichst langer Elektronenwege ionisiert wird und die dabei mit entstehenden Edelgasionen unter Beschleunigung auf einige hundert Volt (Absaugfeld) in die Gettermetall-Kondensatschicht eingeschossen werden. Als besonders in bezug auf Edelgasbindung günstige Einschuß-Voltgeschwindigkeit hat sich ein Wert um 800 Volt ergeben. Eine Spannung dieser Größe ist zugleich gut geeignet, um aus der Kathode Elektronen mit hoher Stromdichte unter Anwendung üblicher Absaugelektrodenabstände ohne kritische Begrenzung durch Raumladung abzusaugen. Deshalb wird bei der geeigneten Anordnung die gleiche Spannungsquelle dazu benutzt, um die Elektronen aus dem Kathodenzylinder und die erzeugten Ionen aus dem Ionisierungsraum zur Getter-Kondensatschicht zu beschleunigen. Es ergibt sich also eine außerordentlich einfache Betriebsweise. Die Pumpe benötigt nur drei Stromquellen, nämlich

1. Gleichstrom mit etwas unter 1000 Volt Spannung zur gleichzeitigen Elektronenabsaugung und Beschleunigung der erzeugten Ionen,

2. Heizwechselstrom zum gleichzeitigen Betrieb von Kathode und Verdampfer,

3. Wechselstrom zur Erregung des Klöppel-Magneten. Zur Absaugung der Elektronen aus der Kathode

und zur Begrenzung des eigentlichen Ionisierungsraumes dient eine einzige gitterartige Elektrode 14, die z. B. aus dünnen Wolframdrähten mit geringer Flächenbedeckung hergestellt wird. Diese Elektrode ist zur Pumpenachse rotationssymmetrisch aufgebaut, ebenso wie auch der als zylindrisches Gitter hergestellte, zur Elektronenabsaugung vorgesehene Ansatz

15. Durch das Absauggitter 15 würden die Elektronen

aus der Kathode 4 in Richtung nahezu senkrecht zur Pumpenachse herausgesaugt werden und in ungünstigen Bahnen verlaufen. Günstig sind solche Bahnen, die im Innern des feldfreien Ionisierungsraumes mit großer Weglänge verlaufen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird in Weiterbildung der Erfindung ein etwa auf Kathodenpotential befindliches Reflektorblech 16 angewendet, welches die Elektronen in den von dem Gitter 15 umschlossenen Ionisierungsraum hineinreflektiert. Weiter kommt ein Hilfsmagnetfeld zur Anwendung, durch welches die Elektronen in Wendelbahnen, d. h. in Bahnen stark heraufgesetzter Länge, gezwungen werden. Ein anderer Weg zur Verlängerung der Elektronenbahnen würde beiläufig in der Anwendung von Hochfrequenzspannungen liegen, durch welche die Elektronen zur Pendelungen im hochfrequenten Takt gezwungen werden. Dieser Weg wird in der Abbildung wegen des höheren Aufwandes nicht beschrieben, soll aber ausdrücklich erwähnt werden. Das Hilfsmagnetfeld verläuft zwischen den Eisenpolschuhen 17 und 18. Diese Polschuhe werden erregt durch Permanentmagnete 19 und 20, die entweder in dem Vakuumraum (wie gezeichnet) oder aber auch außerhalb angebracht werden können. Selbstverständlich ist der magnetische Kreis des Hilfsmagnetfeldes zu schließen. Hierzu können das Gehäuse, der untere Flansch sowie die den Magneten 19 tragenden Eisenstege 21 dienen.

Bei Anwendung eines Absaugabstandes zwischen der Kathode 4 und dem Absauggitter 15 von einigen Millimetern und von größenordnungsmäßig 800 Volt Absaugspannung läßt sich nach dem Raumladungsgesetz für Elektronen eine Elektronenstromdichte von etwa 1 Amp./cm² absaugen. Das ist die gleiche Elektronenstromdichte, welche eine Wolframkathode mit guter Lebensdauer emittieren kann. Die wirksame Emissionsfläche der gezeichneten Kathode 4 hat die Größenordnung von 1 cm², so daß bei unserem System Elektronenströme von etwa 1 Amp. zur Ionisierung auf den künstlich verlängerten Elektronenbahnen zur Verfügung stehen. Die im Ionisierungsraum entstehenden Ionen gelangen durch die Durchtrittsöffnungen im Gitter 14 in ein Feld, welches die Ionen in Richtung zur Innenwandung des Pumpengehäuses und insbesondere zum Dampfauffangblech 13 hin beschleunigt.

Zur Erreichung von Höchstvakuum mit der gleichen Anordnung ist darauf zu achten, daß eine Kühlung der Metallteile des Innensystems und auch des Pumpengehäuses vorgenommen wird und daß Dichtungen mit geringem Dampfdruck zur Anwendung kommen. Bei Beachtung dieser beiden Forderungen sind mit dieser Pumpe Drücke von 10~⁷ bis 10~⁸ Torr schnell erreichbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Ionen-Getter-Pumpe mit einer durch Joulesche Wärme erhitzten Elektrode aus hochschmelzendem Metall, insbesondere Wolfram oder Tantal, und mit kontinuierlicher oder intermittierender Zuführung des Gettermetalls in Pulver-, Draht- oder Stückform, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise zylindrisch und geschlitzt ausgebildete Elektrode (4) mit einer Verdampferfläche (5) zur Verdampfung des Gettermaterials vorgesehen ist, während die Elektrode (4) ohne Verdampferfläche (5) gleichzeitig die Kathode für die Ionenpumpwirkung darstellt.

2. Ionen-Getter-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme und kontinuierlichen oder intermittierenden Zuleitung des zu verdampfenden Gettermetalls (10) zur Verdampferfläche (5) ein vorzugsweise trichterförmiges, durch ein Rüttelsystem (6, 7, 8) in Schwingungen versetzbares Gefäß (9) und eine die Fallhöhe reduzierende Schikane (12) angeordnet sind.

3. Ionen-Getter-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsmagnetfeld zwischen Polschuhen (17 und 18) aufgebaut ist.

4. Ionen-Getter-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere etwa Kathodenpotential aufweisende Reflektorbleche (16) um die Elektrode (4) angebracht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 750 230, 761 089,
763;

britische Patentschrift Nr. 768 003;

Martin Littmann, »Getterstoffe und ihre Anwendung«, 1938, S. 8, 94;

Zeitschrift »Vacuum«, Vol. I, Nr. 4, Oktober 1951, S. 257 bis 262.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 009 677/117 11.60